発光現象を強く増強・抑制できる光ナノ構造の提案と作製

• 研究課題/領域番号: 26706003
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 研究分野: ナノ構造物理
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 小島 一信 東北大学, 多元物質科学研究所, 准教授 (30534250)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2018-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2017年度)
• 配分額: 18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円); 2016年度: 4,810千円 (直接経費: 3,700千円、間接経費: 1,110千円); 2015年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円); 2014年度: 7,410千円 (直接経費: 5,700千円、間接経費: 1,710千円)
• キーワード: 発光増強 / 半導体光物性 / 窒化物半導体 / 量子効率 / 発光量子効率 / GaN / 内部量子効率 / ZnO / ワイドバンドギャップ半導体 / 酸化物半導体 / 微小共振器

研究成果の概要

非発光の要因となる結晶欠陥が低減された、酸性アモノサーマル法にて作製したGaN結晶上にハライド気相エピタキシ法にて成長させたm面自立GaN結晶を、時間分解分光法に用いて評価した。本結晶の室温発光寿命は、GaN結晶として極めて長い2.07 nsであった。これをさらに定量解析するために、全方位フォトルミネセンス（ODPL）法を提案し内部量子効率を評価したところ、励起密度60 W/cm2にて70%に達する高い値を得た。また、発光が抑制されている例として厚い井戸幅を持つAlGaN量子井戸について、適切な構造を設計し、実際にそれを作製することにより確かに発光効率を増加できることを実験的に示した。

研究成果

• [雑誌論文] A design strategy for achieving more than 90% of the overlap integral of electron and hole wavefunctions in high AlN mole fraction AlxGa1-xN multiple quantum wells (2017)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, K. Furusawa, Y. Yamazaki, H. Miyake, K. Hiramatsu, and S. F. Chichibu
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: 10 号: 1 ページ: 0158021-4
  • DOI: 10.7567/apex.10.015802
  • NAID: 210000135740
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Determination of absolute value of quantum efficiency of radiation in high quality GaN single crystals using an integrating sphere (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, T. Ohtomo, K. Ikemura, Y. Yamazaki, M. Saito, H. Ikeda, K. Fujito, S. F. Chichibu
  • 雑誌名: J. Appl. Phys. 巻: 120 号: 1
  • DOI: 10.1063/1.4955139
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Electronic and optical characteristics of an m-plane GaN single crystal grown by hydride vapor phase epitaxy on a GaN seed synthesized by the ammonothermal method using an acidic mineralizer (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, Y. Tsukada, E. Furukawa, M. Saito, Y. Mikawa, S. Kubo, H. Ikeda, K. Fujito, A. Uedono, and S. F. Chichibu
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 55 号: 5S ページ: 05FA03-05FA03
  • DOI: 10.7567/jjap.55.05fa03
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Low resistivity m-plane freestanding GaN substrate with very low point-defect concentrations grown by hydride vapor phase epitaxy on a GaN seed crystal synthesized by the ammonothermal method (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, Y. Tsukada, E. Furukawa, M. Saito, Y. Mikawa, S. Kubo, H. Ikeda, K. Fujito, A. Uedono, and S. F. Chichibu
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 8 号: 9 ページ: 095501-095501
  • DOI: 10.7567/apex.8.095501
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Pulse capture without carrier absorption in dynamic Q photonic crystal nanocavities (2014)
  • 著者名/発表者名: 1.J. Upham, H. Inoue, Y. Tanaka, W. Stumpf, K. Kojima, T. Asano, and S. Noda
  • 雑誌名: Optics Express 巻: 22 号: 13 ページ: 15459-15466
  • DOI: 10.1364/oe.22.015459
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Origin of Shockley-Read-Hall nonradiative recombination centers in (Al,Ga)N (2017)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, K. Kojima, and A. Uedono
  • 学会等名: The Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE) Photonics West 2017
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2017-01-31
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 窒化物半導体の絶対輻射量子効率計測 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，斉藤真，池田宏隆，藤戸健史，秩父重英
  • 学会等名: 第4回アライアンス若手研究交流会
  • 発表場所: 北海道大学（北海道札幌市）
  • 年月日: 2016-11-09
  • 招待講演
• [学会発表] Quantification of absolute value of quantum efficiency of radiation in ZnO single crystals using an integrating sphere (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, T. Harada, A. Tsukazaki, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 9th International Workshop on ZnO and Related Materials (IWZnO2016)
  • 発表場所: Taipei, Taiwan
  • 年月日: 2016-10-30
  • 国際学会
• [学会発表] High Quality Bulk GaN Crystal Grown by Acidic Ammonothermal Method (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Kagamitani, R. Kayano, T. Ishiguro, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors 2016 (IWN2016)
  • 発表場所: Orland, USA
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Quantifying absolute value of quantum efficiency of radiation in high quality GaN single crystals (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, T. Ohtomo, M. Saito, H. Ikeda, K. Fujito, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: International Workshop on Nitride Semiconductors 2016 (IWN2016)
  • 発表場所: Orland, USA
  • 年月日: 2016-10-02
  • 国際学会
• [学会発表] High Quality Bulk GaN Crystal Grown by Acidic Ammonothermal Method (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Kagamitani, R.Kayano, T. Ishiguro, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE-18)
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（愛知県名古屋市）
  • 年月日: 2016-08-07
  • 国際学会
• [学会発表] High Quality Bulk GaN Crystal Grown by Acidic Ammonothermal Method (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Kagamitani, R. Kayano, T. Ishiguro, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: 9th International Conference on High Temperature Ceramic Matrix Composites (HTCMC-9) and Global Forum on Advanced Materials and Technologies for Sustainable Development (GFMAT 2016)
  • 発表場所: Toronto, Canada
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Quality Bulk GaN Crystal Grown by Acidic Ammonothermal Method (2016)
  • 著者名/発表者名: Q. Bao, M. Saito, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Kagamitani, R. Kayano, T. Ishiguro and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 43rd International Symposium on Compound Semiconductors (ISCS 2016)
  • 発表場所: 富山国際会議場（石川県富山市）
  • 年月日: 2016-06-26
  • 国際学会
• [学会発表] Recombination dynamics of hot carriers excited in a highly-doped m-plane GaN single crystal (2016)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, H. Ikeda, K. Fujito, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 17th international conference of the physics of light-matter coupling in nanostructures (PLMCN-17)
  • 発表場所: Todaiji culture center, Nara, Japan
  • 年月日: 2016-03-28
  • 国際学会
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法による高品位バルクGaN結晶の高速成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 栗本浩平，包全喜，斉藤真，茅野林造，小島一信，石黒徹，秩父重英
  • 学会等名: 日本金属学会2016年春季大会
  • 発表場所: 東京理科大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-23
• [学会発表] 高品質GaN単結晶の絶対輻射量子効率測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，大友友美，斉藤真，池田宏隆，藤戸健史，秩父重英
  • 学会等名: 2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 高キャリア濃度n型m面GaN単結晶におけるホットキャリアの輻射再結合ダイナミクス (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，池田宏隆，藤戸健史，秩父重英
  • 学会等名: 2016年第63回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東京工業大学（東京都）
  • 年月日: 2016-03-19
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法による高品質GaN 結晶の育成 (2016)
  • 著者名/発表者名: 包全喜，斉藤真，栗本浩平，小島一信，山崎芳樹，冨田大輔，喬焜，鏡谷勇二，茅野林造，石黒徹，横山千昭，秩父重英
  • 学会等名: 化学工学会 第81年会
  • 発表場所: 関西大学（吹田市）
  • 年月日: 2016-03-13
• [学会発表] 高品質窒化物半導体の光学特性 (2016)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，秩父重英
  • 学会等名: 真空ナノエレクトロニクス158委員会 3月定期研究会
  • 発表場所: 機械振興会館（東京都）
  • 年月日: 2016-03-04
  • 招待講演
• [学会発表] High quality bulk GaN crystal grown by acidic ammonothermal method (2016)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Kagamitani, R. Kayano, T. Ishiguro, S. F. Chichibu
  • 学会等名: SPIE Photonics West (OPTO)
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2016-02-13
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 時間分解ルミネッセンス法によるGaNのキャリア寿命の評価 (2016)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英，小島一信，上殿明良
  • 学会等名: 日本学術振興会先端ナノデバイス・材料テクノロジー第151委員会研究会
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都新宿区）
  • 招待講演
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法による高品位バルクGaN 結晶成長 (2016)
  • 著者名/発表者名: 斉藤真，包全喜，栗本浩平，冨田大輔，小島一信，鏡谷勇二，茅野林造，石黒徹，秩父重英
  • 学会等名: 第145回結晶工学分科会研究会
  • 発表場所: 名古屋大学，名古屋市
  • 招待講演
• [学会発表] 酸性鉱化剤を用いたアモノサーマル法によるバルクGaN結晶成長 (2015)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英，斉藤真，包全喜，栗本浩平，冨田大輔，小島一信，鏡谷勇二，茅野林造，石黒徹
  • 学会等名: 化学工学会反応工学部会CVD反応分科会主催第24回シンポジウム
  • 発表場所: 早稲田大学（東京都）
  • 年月日: 2015-12-01
  • 招待講演
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法合成GaN種結晶上にハイドライド気相エピタキシャル成長させたm面自立GaN基板の電気的・光学的特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，塚田悠介，古川えりか，斉藤真，三川豊，久保秀一，池田宏隆，藤戸健史，上殿明良，秩父重英
  • 学会等名: 電子情報通信学会 レーザ・量子エレクトロニクス研究会（LQE）
  • 発表場所: 大阪市立大（大阪市）
  • 年月日: 2015-11-26
• [学会発表] Low resistivity m-plane freestanding GaN substrate with very low point defect concentration grown by hydride vapor phase epitaxy on an ammonothermal GaN seed crystal (2015)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, K. Furusawa, E. Furukawa, M. Saito, Y. Tsukada, Y. Mikawa, S. Kubo, H. Ikeda, K. Fujito, A. Uedono, and S. F Chichibu
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-6)
  • 発表場所: Act city Hamamatsu, Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-11-08
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] High Quality Bulk GaN Crystal Grown by Acidic Ammonothermal Method (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Kagamitani, R. Kayano, T. Ishiguro, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 6th International Symposium on Growth of III-Nitrides (ISGN-6)
  • 発表場所: Act city Hamamatsu, Hamamatsu, Japan
  • 年月日: 2015-11-08
  • 国際学会
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法による高品位GaN結晶成長 (2015)
  • 著者名/発表者名: 斉藤真，包全喜，栗本浩平，冨田大輔，小島一信，鏡谷勇二，茅野林造，石黒徹，秩父重英
  • 学会等名: 第45回結晶成長国内会議（NCCG-45）
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2015-10-19
  • 招待講演
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法による高品位GaN高速育成 (2015)
  • 著者名/発表者名: 斉藤真，包全喜，栗本浩平，冨田大輔，小島一信，山崎芳樹，鏡谷勇二，茅野林造，石黒徹，秩父重英
  • 学会等名: 2015年秋季第76回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 高品質GaN単結晶における自由励起子とドナー束縛励起子の発光ダイナミクス (2015)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，斉藤真，池田宏隆，藤戸健史，秩父重英
  • 学会等名: 2015年秋季第76回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法合成GaN種結晶上にハイドライド気相エピタキシャル成長させたm面自立GaN基板の電気的・光学的特性 (2015)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，塚田悠介，古川えりか，斉藤真，三川豊，久保秀一，池田宏隆，藤戸健史，上殿明良，秩父重英
  • 学会等名: 2015年秋季第76回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 名古屋国際会議場（名古屋市）
  • 年月日: 2015-09-13
• [学会発表] High Quality Bulk GaN Crystal Grown by Acidic Ammonothermal Method (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Yamazaki, Y. Kagamitani, R. Kayano, T. Ishiguro, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: The 11th International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS-11)
  • 発表場所: Beijing, China
  • 年月日: 2015-08-30
  • 国際学会
• [学会発表] High-Quality Bulk Crystal Growth of GaN by the Ammonothermal Method in a Supercritical NH3 Using Acidic Mineralizers (2015)
  • 著者名/発表者名: S. F. Chichibu, M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Yamazaki, Y. Kagamitani, R. Kayano, and T. Ishiguro
  • 学会等名: Workshop on Frontier Photonic and Electronic Materials and Devices - 2015 German-Japanese-Spanish Joint Workshop
  • 発表場所: Shirankaikan, Kyoto, Japan
  • 年月日: 2015-07-11
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 自立GaN基板上m面Al1-xInxNエピタキシャル薄膜の発光特性(III) (2015)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，池田宏隆，藤戸健史，秩父重英
  • 学会等名: 2015年春季第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚市
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法によるGaN結晶育成に及ぼす圧力の効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 栗本浩平，包全喜，斉藤真，冨田大輔，伊藤みずき，山崎芳樹，小島一信，鏡谷勇二，茅野林造，石黒徹，秩父重英
  • 学会等名: 2015年春季第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚市
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 水熱合成ZnOターゲットを用いたZnO薄膜のヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシー(3)：浅い不純物に関する考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山崎芳樹，古澤健太郎，岩橋咲弥，小島一信，秩父重英
  • 学会等名: 2015年春季第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚市
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] 水熱合成ZnO ターゲットを用いたZnO 薄膜のヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシー(4)：遷移金属不純物に関する考察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 岩橋咲弥，山崎芳樹，小島一信，古澤健太郎，上殿明良，秩父重英
  • 学会等名: 2015年春季第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚市
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] m面Al1-xInxN 薄膜の分光エリプソメトリーによる評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 加賀谷大樹，山崎芳樹，池田宏隆，藤戸健史，小島一信，秩父重英
  • 学会等名: 2015年春季第62回応用物理学関係連合講演会
  • 発表場所: 平塚市
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] Optical Polarization Properties of Al1-xInxN Epilayers Grown on m-Plane Freestanding GaN Substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, H. Ikeda, K. Fujito, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: 2014 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: ボストン
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [学会発表] High Quality and High Rate Bulk GaN Crystal Growth by Acidic Ammonothermal Method (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Saito, Q. Bao, K. Kurimoto, D. Tomida, K. Kojima, Y. Yamazaki, Y. Kagamitani, R. Kayano, K. Qiao, T. Ishiguro, C. Yokoyama, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: 2014 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: ボストン
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [学会発表] A Strategy to Improve the Emission Efficiency of Si-Doped AlGaN Multiple Quantum Wells by Out-of-Plane Compositional Modulations (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Yamazaki, K. Furusawa, K. Kojima, K. Nakahama, H. Miyake, K. Hiramatsu, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: 2014 Materials Research Society Fall Meeting
  • 発表場所: ボストン
  • 年月日: 2014-11-30 – 2014-12-05
• [学会発表] Optical characteristics of nonpolar and semipolar nitride heterostructures (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, Y. Yamazaki, and S. F. Chichibu
  • 学会等名: 2nd Intensive Discussion on Growth of Nitride Semiconductors
  • 発表場所: 仙台市
  • 年月日: 2014-10-30 – 2014-10-31
  • 招待講演
• [学会発表] フェムト秒集束パルス電子線を用いた特異構造界面の発光ダイナミクス解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 秩父重英，石川陽一，山崎芳樹，小島一信
  • 学会等名: 2014年秋季第75回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 札幌市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
  • 招待講演
• [学会発表] m面GaN基板上に成長したAl1-xInxNエピタキシャル薄膜の偏光特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 小島一信，池田宏隆，藤戸健史，秩父重英
  • 学会等名: 2014年秋季第75回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 札幌市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 酸性アモノサーマル法による高品位GaN高速育成 (2014)
  • 著者名/発表者名: 斉藤真，包全喜，栗本浩平，冨田大輔，小島一信，山崎芳樹，鏡谷勇二，茅野林造，喬焜，石黒徹，横山千昭，秩父重英
  • 学会等名: 2014年秋季第75回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 札幌市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 混晶組成変調によるSi添加AlGaN多重量子井戸の発光効率向上 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山崎芳樹，古澤健太郎，小島一信，中濵和大，三宅秀人，平松和政，秩父重英
  • 学会等名: 2014年秋季第75回応用物理学会学術講演会
  • 発表場所: 札幌市
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Optical characteristics of deep ultraviolet nitride semiconductors with various crystal orientations (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Kojima, A. A. Yamaguchi, M. Funato, Y. Kawakami, and S. Noda
  • 学会等名: International Union of Materials Research Societies - The IUMRS International Conference in Asia 2014
  • 発表場所: 福岡市
  • 年月日: 2014-08-24 – 2014-08-30
  • 招待講演